Projekt HDI sprowadza się do czterech decyzji: jaki dielektryk nadaje się do wiercenia laserem, jaka mikroprzelotka (średnica i głębokość) da się wiarygodnie wykonać, ile cykli laminacji wymaga wybrana struktura oraz czy ścieżki zmieszczą się w wyprowadzeniu spod najdrobniejszej obudowy. Każda z tych decyzji zmienia koszt i uzysk, więc zaczyna się od najprostszej struktury, która rozprowadza najgęstszy układ BGA, i komplikuje ją tylko wtedy, gdy się nie mieści. Wartości poniżej są ogólne i służą do wstępnego planowania; granice konkretnego procesu podaje wytwórca. Podstawowe pojęcia HDI wyjaśnia artykuł o płytkach HDI i mikroprzelotkach.
Dielektryk: co wybrać pod wiercenie laserowe
Mikroprzelotki wierci się najczęściej laserem w cienkiej warstwie dielektryka. Szklana tkanina zwykłego prepregu utrudnia ablację laserową (włókna odbijają i pochłaniają energię inaczej niż żywica), dlatego do warstw z mikroprzelotkami stosuje się materiały przystosowane do tego procesu.
| Materiał | Cechy | Uwagi projektowe |
|---|---|---|
| Folia miedziana pokryta żywicą (RCC) | Żywica bez szkła, łatwa do wiercenia laserem | Cienkie warstwy; mniejsza sztywność, mniejsza stabilność wymiarowa niż materiał ze szkłem |
| Prepreg do wiercenia laserowego (cienkie, rozproszone szkło) | Szkło o małej gramaturze, bardziej jednorodne do ablacji | Częsty wybór; grubości dobiera się do wiercenia i impedancji |
| Standardowy prepreg ze szkłem | Lepsza sztywność, gorsze wiercenie laserowe | Stosowany głównie w rdzeniach i warstwach bez mikroprzelotek |
| Materiały o niskich stratach | Niższa przenikalność i straty w paśmie GHz | Uzasadnione przy szybkich interfejsach; podnoszą koszt |
Przy wyborze patrz na parametry, nie na nazwę handlową: temperaturę zeszklenia Tg i temperaturę rozkładu Td (wytrzymałość na lutowanie bezołowiowe i kilka cykli reflow), rozszerzalność cieplną w osi Z (wpływa na trwałość przelotek), przenikalność Dk i stratność Df przy częstotliwości pracy, odporność na wzrost włókien anodowych (CAF) oraz to, czy materiał jest bezhalogenowy. Wymagania co do materiałów HDI i projektu opisują wytyczne IPC (m.in. seria IPC-2226 dla projektu HDI); aktualne wydanie i zakres trzeba sprawdzić w źródle.
Mikroprzelotka: średnica, głębokość, współczynnik kształtu
Mikroprzelotkę ogranicza współczynnik kształtu, tu liczony jako głębokość podzielona przez średnicę (inaczej niż dla wierconych otworów przelotowych, gdzie dzieli się grubość płytki przez średnicę otworu). Zbyt głęboka i wąska mikroprzelotka gorzej się pokrywa miedzią i jest bardziej narażona na puste przestrzenie lub pęknięcia. W praktyce wytwórcy podają graniczny współczynnik na poziomie rzędu 0,75:1 do 1:1; wartość do potwierdzenia w ofercie. Średnice mikroprzelotek mieszczą się zwykle w przedziale około 0,075–0,15 mm.
| Głębokość (grubość dielektryka) | Średnica | Współczynnik kształtu (głębokość / średnica) |
|---|---|---|
| 60 µm | 100 µm | 0,60 |
| 100 µm | 100 µm | 1,00 |
| 75 µm | 75 µm | 1,00 |
| 50 µm | 100 µm | 0,50 |
Przykłady są założeniowe. Wynika z nich praktyczna zasada: cieńszy dielektryk zmniejsza współczynnik kształtu przy tej samej średnicy, a to ułatwia wypełnienie i pokrycie przelotki. Ale cieńszy dielektryk zmienia też impedancję ścieżek nad nim, więc stos warstw i szerokość ścieżek projektuje się razem. Pole docelowe (pad lądowania) powinno być większe od średnicy mikroprzelotki: dla średnicy 0,10 mm i pada 0,25 mm szerokość pierścienia wynosi (0,25 − 0,10) / 2 = 0,075 mm. Wartości minimalne zależą od dokładności rejestracji warstw u wytwórcy. Rozmiary i koszty przelotek ułatwia ocenić kalkulator przelotek.
Cykle laminacji a struktura
Strukturę HDI zapisuje się jako k+N+k: k warstw narostowych z każdej strony rdzenia z N warstwami. Rdzeń prasuje się raz, a każdą warstwę narostową dodaje się w kolejnym cyklu prasowania sekwencyjnego, więc łączna liczba cykli wynosi k + 1.
| Struktura | Cykli laminacji | Uzysk łączny przy założeniu 97% na cykl |
|---|---|---|
| 1+N+1 | 2 | 0,97² = 0,941 |
| 2+N+2 | 3 | 0,97³ = 0,913 |
| 3+N+3 | 4 | 0,97⁴ = 0,885 |
Uzysk 97% na cykl to założenie rachunkowe, nie dane wytwórcy. Pokazuje jednak, że straty i koszty narastają z każdym cyklem, więc dodanie jednego poziomu narostu to nie drobna zmiana. Dodatkowe poziomy dodają też wiercenie laserem i metalizację każdego poziomu. Układanie warstw omawia artykuł o stosie HDI, a ogólnie wielowarstwowe stosy PCB stackup.
Wyprowadzenie ścieżek spod BGA
Liczbę ścieżek, które zmieszczą się między dwoma sąsiednimi polami, wyznacza warunek: n · w + (n + 1) · s ≤ p − d, gdzie w to szerokość ścieżki, s odstęp, p raster, a d średnica pola.
| Raster p | Pole d | Szczelina p − d | w / s | Ścieżek między polami |
|---|---|---|---|---|
| 0,8 mm | 0,40 mm | 0,40 mm | 75 / 75 µm | 2 (potrzeba 0,375 mm) |
| 0,5 mm | 0,30 mm | 0,20 mm | 75 / 75 µm | 0 (jedna wymaga 0,225 mm) |
| 0,5 mm | 0,30 mm | 0,20 mm | 50 / 50 µm | 1 (wymaga 0,150 mm) |
| 0,4 mm | 0,25 mm | 0,15 mm | 50 / 50 µm | 1 (dokładnie 0,150 mm, bez zapasu) |
To przykład założeniowy: pokazuje, dlaczego przy rastrze 0,5 mm i drobniejszym wyprowadzenie ścieżkami przez szczeliny przestaje się udawać i potrzebne są mikroprzelotki w polu (via-in-pad) oraz węższe ścieżki. Przelotka w polu wymaga wypełnienia i zaślepienia, bo inaczej lut spłynie do jej wnętrza podczas montażu, co zmniejsza ilość lutu na styku; ryzyko dotyczy zwłaszcza BGA (zob. lutowanie BGA i rodzaje pakietów BGA). Linie 50/50 µm i węższe są drożej i trudniej wykonać niż 75/75 µm; granice wytwórcy sprawdź przed zamknięciem projektu.
Kompromisy kosztowe
- Liczba cykli laminacji działa najmocniej na koszt i czas, jak pokazuje tabela powyżej.
- Przelotki ułożone w stos (stacked) wymagają wypełnienia miedzią i dobrej rejestracji; ułożone przesuwnie (staggered) są prostsze i zwykle bardziej odporne na pęknięcia, ale zajmują więcej miejsca.
- Cienki dielektryk i wąskie ścieżki zwiększają wymagania procesu i obniżają uzysk.
- Liczba mikroprzelotek wydłuża czas wiercenia laserowego; wiele wytwórców uwzględnia ją w cenie.
- Materiały o niskich stratach podnoszą koszt laminatu; stosuj tylko tam, gdzie wynika to z analizy sygnałów.
- Drobne elementy i montaż po obu stronach zwiększają wymagania w montażu; pomoże strona o montażu PCB wysokiej gęstości.
Lista kontrolna przed wysłaniem pliku
- Struktura zapisana jako k+N+k z grubościami dielektryków i wskazaniem, które warstwy mają mikroprzelotki.
- Typ przelotek: przelotowe, zakopane, ślepe, mikro; zob. przelotki ślepe i zakopane.
- Współczynnik kształtu każdej mikroprzelotki i średnice sprawdzone z ofertą wytwórcy.
- Wypełnienie przelotek w polach lutowniczych i sposób ich zakrycia opisane w specyfikacji.
- Impedancja: warstwy, wartości i tolerancje, bo cienkie dielektryki zmieniają szerokości ścieżek.
- Symetria stosu i rozkład miedzi sprawdzone pod kątem wygięcia.
Czego nie zweryfikowano: granicznych współczynników kształtu, średnic i szerokości ścieżek dla konkretnego wytwórcy, w tym OurPCB, aktualnych zapisów IPC-2226 i parametrów konkretnych materiałów. Uzyski i liczby w tabelach są założeniowe.
